Titelaufnahme

Titel
Space-time block coding for multiple antenna systems / Biljana Badic
VerfasserBadic, Biljana
Begutachter / BegutachterinRupp, Markus ; Weinrichter, Johann
Erschienen2005
UmfangXIII, 109 S. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Mobilfunk / Antennengruppe / Blockcode / Raum-Zeit-Signalverarbeitung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-20347 Persistent Identifier (URN)
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Space-time block coding for multiple antenna systems [0.8 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Nachfrage nach Mobilfunksystemen mit hoher Datenrate und Übertragungsqualität ist in den letzten Jahren dramatisch gestiegen. Zur Deckung des hohen Kommunikationsbedarfs werden neue Technologien benötigt, welche die knappen Ressourcen, wie Bandbreite und Sendeleistung, optimal ausnutzen können. MIMO Systeme, bestehend aus mehreren Sende- und Empfangsantennen, stellen eine effiziente Maßnahme für eine deutliche Steigerung der Übertragungskapazität gegenüber konventionellen Kommunikationssystemen (mit je einer Sende- und Empfangsantenne) bei gleicher Sendeleistung und Übertragungsbandbreite dar. Die Raum-Zeit Block Codierung (STBC) ist ein Übertragunsverfahren, das neben der zeitlichen und der spektralen auch die räumliche Dimension der Übertragungsstrecke ausnutzt. Man unterscheidet zwischen orthogonalen Raum-Zeit Block Codes (OSTBCs) und nichtorthogonalen Raum-Zeit Block Codes (NOSTBCs). Die quasi-orthogonalen Raum-Zeit Block Codes (QSTBCs) sind eine Unterklasse der NOSTBCs. OSTBCs erreichen volle Diversität mit einem einfachen Decodierungsalgorithmus, jedoch mit einer eingeschränkten Datenrate. Volle Datenrate und volle Diversität sind gleichzeitig nur inMIMO Systemen mit zwei Sendeantennen erreichbar. In MIMO Systemen mit mehr als zwei Sendeantennen kann man volle Datenrate nur mittels QSTBCs erreichen, welche aber einen Diversitätsverlust zur Folge haben. Es wurde festgestellt, dass im SNR Bereich bis zu 20 dB QSTBCs sogar weniger Fehler anfällig sind als OSTBCs. Aus diesem Grund sind QSTBCs ein wichtiges Forschungsgebiet geworden.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Formulierung einer vereinheitlichten Theorie über QSTBCs für vier Sendeantennen und eine (oder mehrere) Empfangsantennen. Die Arbeit umfasst zwei Themenschwerpunkte: Im ersten Teil, analysieren wir die QSTBC-Übertragung ohne Kanalkenntnis am Sender und im zweiten Teil analysieren wir Leistungsvermögen von QSTBCs unter der Annahme, dass der Sender den Kanal nur teilweise kennt. In beiden Fällen werden QSTBCs über räumlich korrelierte und räumlich unkorrelierte echofreie Funkkanäle unter der Verwendung von Maximum-Likelihood Empfängern sowie auch unter Verwendung von einfachen Zero-Forcing Empfängern untersucht. Die räumliche Korrelation wird mit dem so genannten Kronecker Modell eingebracht. Um zu zeigen, wie sich QSTBCs in realen MIMO Kanälen verhalten, haben wir in unseren Simulationen Messungen aus einem Büroraum-Szenario verwendet.

Im ersten Teil dieser Dissertation definieren wir QSTBCs für vier Sendeantennen. Wir zeigen, dass verschiedene QSTBCs durch lineare Transformationen konstruiert werden können und dass die bereits bestehenden Codes ineinander überführt werden können. Im Falle von QSTBCs wird in dieser Arbeit gezeigt, dass der (4 1) MIMO-Kanal in einen äquivalenten, hoch-struktuierten, virtuellen (4 4) MIMO-Kanal transformiert werden kann. Die Struktur des äquivalenten Kanals ist von zentraler Bedeutung für Eigenschaften von QSTBCs. Die Elemente, welche sich nicht auf der Hauptdiagonale der virtuellen Kanalmatrix befinden, können als kanalabhängiger Selbstinterferenzparameter X interpretiert werden. Wir zeigen, dass X eine bedeutende Wirkung auf die Systemeigenschaften hat. Je kleiner X ist, um so näher ist der Code einem orthogonalen Code. Basierend auf dem Parameter X, wird gezeigt, dass es nur 12 verschiedenen Typen von QSTBCs gibt.

Imzweiten Teil dieser Dissertation schlagen wir zwei einfache Methoden vor, um das Leistungsvermögen von QSTBCs zu verbessern. Unter der Annahme, dass der Sender den Kanal nur teilweise kennt, schlagen wir eine kanaladaptive Codeselektion (CACS) und eine kanaladaptive Sendeantennenselektion (CAAS) vor. Bei richtiger Anwendung der partiellen Kanalkenntnis am Sender, zeigen wir, dass QSTBCs volle Diversität und beinahe volle Orthogonalität erreichen können. Dabei wird nur wenig Kanalinformation vom Empfänger zum Sender gesendet. Die CACS ist sehr einfach und braucht nur 1-2 Rückkopplungsbits pro Schwundblock um die volle Diversität vier zu erreichen. Leider erhöht sich bei diesem Verfahren die Kanalkapazität nicht wesentlich. Dem gegenüber erhöht sich die Kanalkapazität bei Verwendung der CAAS beträchtlich! Die Anzahl die nötigen Rückkopplungsbits steigt aber exponentiell mit der Anzahl der vorhandenen Sendeantennen.

Zusammenfassung (Englisch)

The demand for mobile communication systems with high data rates has dramatically increased in recent years. New methods are necessary in order to satisfy this huge communications demand, exploiting the limited resources such as bandwidth and power as efficient as possible. MIMO systems with multiple antenna elements at both link ends are an efficient solution for future wireless communications systems as they provide high data rates by exploiting the spatial domain under the constraints of limited bandwidth and transmit power. Space-Time Block Coding (STBC) is a MIMO transmit strategy which exploits transmit diversity and high reliability. STBCs can be divided into two main classes, namely, Orthogonal Space-Time Block Codes (OSTBCs) and Non-Orthogonal Space-Time Block Codes (NOSTBCs). The Quasi-Orthogonal Space-Time Block Codes (QSTBCs) belong to class of NOSTBCs and have been an intensive area of research. The OSTBCs achieve full diversity with low decoding complexity, but at the price of some loss in data rate.

Full data rate is achievable in connection with full diversity only in the case of two transmit antennas in case of complex-valued symbol transmission. For more than two transmit antennas full data rate can be achieved with QSTBCs with a small loss of the diversity gain. However, it has been shown that QSTBCs perform even better than OSTBCs in the SNR range of practical interest (up to 20 dB) that makes this class of STBCs an attractive area of research.

The main goal of this work is to provide a unified theory of QSTBCs for four transmit antennas and one (or more) receive antennas. The thesis consists of two main parts:

In the first part we analyze the QSTBCs transmission without any channel knowledge at the transmitter and in the second part we analyze transmission with QSTBCs assuming partial channel state (CSI) information at the transmitter.

For both cases, the QSTBCs are studied on spatially correlated and uncorrelated frequency flat MIMO channels applying a Maximum Likelihood receivers as well as a low complexity linear Zero-Forcing receivers. The spatial correlation is modelled by the so-called Kronecker Model. Measured indoor channels are also used in our simulations to show the performance of the QSTBCs in real-world environment.

In the first part of this thesis we give a consistent definition of QSTBCs for four transmit antennas.

We show that different QSTBCs are obtained by linear transformations and that already known codes can be transformed into each other. We show that the (4 1) MIMO channel in the case of applying quasi-orthogonal codes can be transformed into an equivalent highly structured virtual (4 4) MIMO channel matrix. The structure of the equivalent channel is of vital importance for the performance of the QSTBCs. We show that the off-diagonal elements of the virtual channel matrix are responsible for some signal self-interference at the receiver. The closer these off-diagonal elements of the virtual channel matrix are to zero, the closer is the code to an orthogonal code. Based on this self-interference parameter it can be shown that only 12 QSTBC types with different performance exist.

In the second part of the thesis we provide two simple methods to improve the QSTBC transmission when partial CSI is available at the transmitter. We propose two novel closed-loop transmission schemes, namely channel adaptive code selection (CACS) and channel adaptive transmit antenna selection (CAAS). By properly utilization of partial CSI at the transmitter, we show that QSTBCs can achieve full diversity and nearly strict orthogonality with a small amount of feedback bits returned from the receiver back to the transmitter. CACS is very simple and requires only a small amount of the feedback bits.

With CAAS full diversity of four and a small improvement of the outage capacity can be achieved. The CAAS increases the channel capacity substantially, but the required number of the feedback bits increases exponentially with the number of available transmit antennas.